A gömbvillámok fizikai paraméterei
 
(2026 május)  
 
 
 
Abstract
A tanulmány a gömbvillám fizikai paramétereit és stabilitási feltételeit vizsgálja. A modell szerint a gömbvillám magas hőmérsékletű, részben ionizált, közel elektromosan semleges plazmaállapot. A stabilitást a negatív differenciális ellenállású termikus emissziós belső tartomány, továbbá az erősen csatolt Yukawa palzmák egy, a klasszikus felületi feszültséghez hasonló jelensége okozza. A becslések alapján a belső hőmérséklet eléri a sok 1000 kelvines hőmérsékletet, az átmérője tipikusan néhány centimétertől több tíz centiméterig terjedhet. A modell szerint a gömbvillám a Földről induló ioncsatornákból -streamerekből- fejlődik ki, amikor a légköri elektromos tér elegendően erős.  A gömbvillám stabilitása függ a mag ionképződéstől és a felületi rekombinációtól, ezek egyensúlyától. Az ismertetett fizikai paraméterek összhangban vannak számos megfigyelési adattal, beleértve a fényességet, az élettartamot, a színeket és a lebegő mozgást.
 
 
 
 
BEVEZETÉS
 
A gömbvillámok energiájának eredete
 
Az irodalomban általánosan elfogadott hipotézis szerint: amikor egy villám eléri a földfelszínt, azaz lecsap, akkor fém nanoszemcsék keletkezhetnek. A fém szemcsék keletkezését felhasználjuk a későbbiekben, de a gömbvillámok igen ritka jelenségek, gyakoriságuk nagyságrendekkel kisebb, mint a Föld felszínébe csapódó villámoké. Megj.: korunkban, a felmelegedéssel, a villámok gyakorisága Celsius fokonként 12%-kal nő.
 
 
Létezik megfigyelt gömbvillám spektrum, ami alátámasztja a fém nanoszemcsék keletkezését : egy kínai kutatócsoportnak 2012-ben sikerült spektrométerrel megfigyelnie egy természetes gömbvillámot, és a spektrumában szilíciumot, vasat és kalciumot talált (Cen, J., Yuan, P., & Xue, S. (2014). Observation of the optical and spectral characteristics of ball lightning. Physical Review Letters, 112(3), Article 035001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.035001 ). A  2012-es kínai kutatás adat elemzése alapján a gömb belsejében lévő, erősen ionizált gázok (például oxigénionok) hőmérséklete a 7000–11 000 Kelvint is elérhette. A gömb külső rétege és a benne égő talajszemcsék (szilícium, vas, kalcium) sokkal hűvösebbek, átlagosan 2400 és 4300 Celsius-fok körüliek. Míg a hagyományos, vonalas villámok hőmérséklete a másodperc törtrésze alatt elérheti a 30 000 Celsius-fokot is, addig a gömbvillám egy hosszabb életű (pár 10 másodpercig létező), lassan hűlő, "hideg" plazmagömb. 
 
Rövid villám-fizika: A lecsapó villámot kétféle elővillám előzi meg, az egyik felülről, a felhőkből érkezik, angolul leader a megnevezésük, és általában negatív töltésűek. A másik elővillámból több is lehet, a földfelszínről indulnak, el is ágaznak, és ellenkező, pozitív töltésűek, angolul streamer a nevük*. Amikor a felső és az alsó elővillámok találkoznak, lecsap a tényleges villám, kialakul egy "álladó" ioncsatorna, amin keresztül általában több kisülés történik, egymás után. Bármilyen töltésű is az elővillám, a kisüléseket majdnem mindig forró elektronok alkotják.
Az elővillámok számunkra fontos tulajdonsága, hogy láthatatlanok, ezért nagyon kevés fényképük létezik. Jegyezzük meg, hogy a leírások szerint a gömbvillámok gyakran a "semmiből" keletkeznek, hirtelen jelennek meg, minden látható ok nélkül.
A következő fényképen kinagyítva (amiért a szöveg olvashatatlan) látszanak a lecsapó villám által kiváltott alsó elágazó elővillámok, és ahol az is látható, hogy az alsó elővillámok sokszor nem találkoznak felső elővillámmal:
 
 
streamer nagyítás
 
Alsó, elágazó, pozitív, és sok méteres elővillámok  (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S016980951730652X) 
 
 
A streamerek az irodalom szerint általában gyenge, pár száz Celsius-fokos kis ioncsatornák, plazmaszálak, és kis energiájúak ahhoz, hogy a gömbvillámok alakuljanak ki a streamerekből.
A plazmák elektronjai sok ezer Celsius fokosok (a légkörben és a felső elővillámban, a leaderben is, és kisülés esetén), ami elegendő a fémionok képzéséhez. Kiindulva abból, hogy a levegő átütési szilárdsága 30kV/cm, a streamerek pedig több méteresek, és sok 100 Amperesek is lehetnek, azt a hipotézist fogadtuk el, hogy a gömbvillámok energiáját az igen ritkán előforduló, nagy energiájú (1000 A feletti) streamerek biztosítják, melyek néhány tized gramm nanoszemcsés fémet létrehozhatnak.
 
A gömbvillámok maghőmérséklete az eddigi mérések és tudományos modellek alapján kb. 2000 és 4500 Celsius-fok. A 2012-es kínai kutatás során sikerült spektrográffal rögzíteni egy természetes gömbvillám fényét. Az adatok elemzése alapján a gömb belsejében lévő, erősen ionizált gázok (például oxigénionok) hőmérséklete a 7000 – 11 000 Kelvint is elérhette. A gömb külső rétege és a benne égő talajszemcsék (szilícium, vas, kalcium) sokkal hűvösebbek, átlagosan 2400 és 4300 Celsius-fokosok. 
Míg a hagyományos, vonalas villámok hőmérséklete a másodperc törtrésze alatt elérheti a 30 000 Celsius-fokot is, addig a gömbvillám egy hosszabb életű (pár másodpercig létező), hűlő plazmagömb. 
Megj.: Autó akkumulátorok saruinál keletkező szikrák az áram által kiszakított apró fémdarabok, és minimális mennyiségben fém nanoszemcsék is keletkeznek, melyek rögtön el is égnek. Nagy kapacitású akkumlátorok szikráinál nem zárható ki ív és gömbvillámok keletkezése.
 
 
 
Upwards streamer from pool cover
 
 
A gömbvillámok láthatatlan elővillám eredetűek
 Oxigén-nitrogén streamer ioncsatorna, zöld parázsfénnyel, 
(Upwards streamer emanating from the top of a pool cover, 
 
 
A gömbvillámok szempontjából vizsgálva a streamereket, lényeges, hogy az erős streamerek energiája elegendő a gömbvillámok kialakításához, a több méteres streamer plazma szálak alakulnak át gömbbé a Yukawa-porplazmákban**. 
 Megj.: plazmáknak, a streamereknek is van egy elektromos tulajdonsága, amit ki fogunk használni: negatív differenciális ellenállásúak, a feszültség csökkenésével nő az áramerősségük, azaz csökken az ellenállásuk, pl. ezért szerelnek a fénycsövekbe védőellenállást.
 
A YUKAWA PORPLAZMÁKNAK VAN EGY, A FELÜLETI FESZÜLTSÉGHEZ HASONLÓ JELENSÉGE
A nanoszemcsés fémporos plazmákat Yukawa por plazmáknak is nevezik, amelyek egy, a felületi feszültséghez hasonló felületi jelenséget mutatnak. Általánosan a plazmák rugalmas struktúrák, a mágneses erővonalak, az elektrosztatikus töltésszétválás (Coulomb-erő, oszcilláció) és a termikus gáznyomás, sűrűség (longitudinális) hullámok alakítják, azaz belső szerkezetüket tekintve egy igen rugalmas közegek. Megfigyelték, hogy egy gömbvillám egy néhány tized milliméteres lyukon is átjut,  általában lebeg, és a sűrűsége a levegőével azonos, kb. légköri sűrűségű. Egy rugalmas szerkezetű közeg felületi feszültség esetén gömb alakot vesz fel, a gömbvillám esetén a streamer plazmaszál alakul gömb alakúvá, ami egy alacsonyabb energiájú állapot.
 
A Yukawa féle porplazmák fontos tulajdonságai: a Yukawa-plazmák (más néven árnyékolt Coulomb-plazmák) olyan töltött részecskékből álló rendszerek, amelyekben a részecskék közötti kölcsönhatást a háttér semlegesítő közege leárnyékolja. Leggyakoribb légnemű megvalósulása a poros plazma.
A részecskék között nem tiszta Coulomb-erő hat, hanem a Yukawa-potenciál, az árnyékolt Coulomb-potenciál hat, ami exponenciálisan csökken a távolsággal, a kölcsönhatása rövid hatótávolságú. A Yukawa-rendszerek egyensúlyi termodinamikai állapotát két dimenziótlan tényező határozza. A Γ csatolási paraméter, amely a szomszédos részecskék közötti potenciális energia és a termikus mozgási (kinetikus) energia aránya. Második a κ (kappa) árnyékolási paraméter. amely az a-val jelölt részecsketávolság és a λD árnyékolási hossz aránya, azaz κ = a/λD. Ha κ = 0, akkor visszakapjuk a tiszta Coulomb-plazmát, ha κ = ∞, akkor a rendszer kemény gömbként viselkedik. 
A Γ csatolási paraméter értékétől függően a Yukawa-plazmák különböző halmazállapotokat vesznek fel: gázszerű az állapot, ha Γ sokkal kisebb, mint az egység, gyenge a csatolás, a termikus mozgás dominál. Folyadékszerű állapotnál Γ ≈ 1, és  Γ > 1 -nél erős a csatolás, a helyi rendezettség. Γ > 170 esetén megjelennek a Wigner kristályok, és a plazma megszilárdul. A gömbvillámok erősen csatolt Yukawa féle porplazmák, kb. 50-100 közötti csatolási paraméterrel.
A Yukawa porplazmákban a felületi feszültség a porszemcsék közötti elektrosztatikus taszításból és a környező plazma (elektronok, ionok) árnyékoló hatásából adódik. A rendszerek makroszkopikus méretű, jól látható „folyadékcseppeket” és határfelületeket képesek alkotni, a felületi feszültséghez hasonló felületi jelenség miatt stabil, autonóm rendszereket képesek létrehozni.
 
A Yukawa-potenciál: ha a porszemcsék töltése nagy, 103 - 104 elektronnyi, a szabad elektronok és ionok leárnyékolják őket. A köztük lévő potenciál arányos  r-1 exp (-r/λD) -vel, ahol λD a Debye-hossz.
A klasszikus folyadékokkal (pl. víz) ellentétben a porplazmákban nincsenek vonzóerők. A felületi feszültséget a plazmákban a légköri nyomás és a belső elektrosztatikus nyomás egyensúlya hozza létre.
A porfelhő szélén lévő szemcsékre kevesebb szomszédos részecske gyakorol taszítóerőt, mint a belső szemcsékre. Az aszimmetria egy befelé mutató erőt eredményez, ami úgy viselkedik, mint a klasszikus felületi feszültség. Ha a kinetikus hőmérséklet nő, akkor a Γ csatolási paraméter csökken, a felületi feszültség is csökken. Erős csatolás esetén Γ > 1, a porplazma képes határozott, éles határfelületet fenntartani, és gömb vagy lencse alakú cseppeket formálni. A gömbvillámok megfigyelt egyik tulajdonsága, hogy meglepően kevéssé melegítenek, mert "hideg",  pár ezer fokos plazmák, melyeknek a fűtését az elégő fémpor biztosítja. Az égéshez kívülről áramló oxigén, a külső nyomáshoz hasonlóan, biztosítja a gömbformát.
 
A Yukawa porplazmák felületén és határain kialakul egy elektrosztatikus kettős réteg, a jelenség a  különböző töltésű részecskék eltérő mozgékonyságának a következménye. A porfelhő szélén a könnyű és gyors elektronok, a nehezebb ionok, valamint a rendkívül nagy tömegű, negatív töltésű porszemcsék mozgékonysága gyökeresen eltér. Mivel a porfelhő határán a porszemcsék sűrűsége hirtelen lecsökken, a környező elektronok és ionok szabadabban áramlanak. Az elektronok gyorsabban diffundálnak ki a porfelhőből, mint az ionok, ami lokális töltéseltolódást idéz elő. A kialakuló kettős réteg szerkezete belső (negatív) oldalán vannak a porfelhő legszélén elhelyezkedő porszemcsék, amelyek a nagy elektrondiffúzió miatt, negatív nettó töltést mutatnak. A külső (pozitív) oldalon a porfelhőből kilépő, de a negatív mag által visszatartott ionokból álló felhő (ion-árnyékolási zóna) található. A két ellentétes töltésű réteg között egy erős lokális elektromos tér és egy éles potenciálugrás jön létre. A jelenség kevés elektron, sőt elektronok hiányában is létezik.
 
A GÖMBVILLÁM MECHANIKAI STABILITÁSA
A kettősréteg kapcsolatos a felületi feszültség, a kettős réteg, az oxigén beáramlás felelős a porcseppek vagy porfelhők mechanikai stabilitásáért. A kettős réteg elektromos tere befelé mutató elektrosztatikus erőt fejt ki a porszemcsékre, ami összetartja a porfelhőt, a belső elektrosztatikus taszítással szemben. A felületi feszültség forrása a Yukawa-rendszerekben a kettős réteg által fenntartott elektrosztatikus potenciál-gát.
A fémpor részecskék oxidálódnak, égnek a levegő oxigénjében, ami egy fokozatos kémiai reakció, és ami biztosítja a gömbvillám állandó, izzó fényét és hőveszteségét másodperceken, ritkán perceken keresztül. A gömbvillámok stabilitásában szerepet kap, hogy a streamerek és a gömbvillámok negatív differenciális ellenállású jelenségek. A negatív differenciális ellenállásnál a növekvő áramhoz csökkenő feszültség tartozik: amikor a gömbvillám hűl, a plazmának kisebb belső feszültségre van szüksége a belső áramlás, vagy az ionizáció fenntartásához. Beáll egy dinamikus egyensúlyi állapot, ami ellensúlyozza a környezet felé leadott sugárzási és hőveszteségeket. Ha egy külső zavar (például légáramlat vagy nyomásváltozás) kibillenti a gömbvillámot ebből az állapotból, a rendszer automatikusan visszaszabályozza önmagát a stabil tartományba, megvédve a gömböt az azonnali feloszlástól.
 
EGY GÖMBVILLÁM FIZIKAI PARAMÉTEREI 
Egy 16 cm átmérőjű és 0.26-0.36 g szilíciumport tartalmazó gömbvillám paraméterei 2000 Celsius-fokon, 101335 Pa külső nyomás esetén, a rendszert a külső nyomás tartja egyensúlyban, ami a belső gáz nyomásával és PY összegével tart egyensúlyt 40 másodpercig. A Γ csatolási paraméter tartománya 50 - 100. Makroszkopikus töltése 0.15 -1.5 μC, szemcsetávolsága 4.1 μm, belső Yukawa nyomása PY = 0.028 Pa. A felületi feszültség γ = 7.5 10-5 N/m, a nettó felhajtó erő tart egyensúlyt a fémpor súlyával: 0.0186 N (a ≈1.9 g súlya), színe ragyogó narancssárga (λmax= 1450 nm, lilás-kék aurával (Wien törvény, T= 2000 K). A por sűrűsége: 1.5 1013 /m3 , a negatív differenciális Joule fűtése: 10-40 W, kémiai teljesítmény 210-290 W.
 
IRODALOM

Lehtinen, Nikolai; Marskar, Robert (2021). "What Determines the Parameters of a Propagating Streamer: A Comparison of Outputs of the Streamer Parameter Model and of Hydrodynamic Simulations". Atmosphere. 12 (12): 1664. Bibcode:2021Atmos..12.1664L. doi:10.3390/atmos12121664. hdl:11250/2977612.

Lehtinen, Nikolai (2021). "Physics and Mathematics of Electric Streamers". Radiophysics and Quantum Electronics. 64 (1): 11–25. Bibcode:2021R&QE...64...11L. doi:10.1007/s11141-021-10108-5.
 
**Yukawa plazmával kapcsolatban: